Atomy zimniejsze od zera absolutnego
Nic nie może mieć temperatury niższej od zera absolutnego (−273.15°C). Czyżby?
To odkrycie może wstrząsnąć podstawami nauki i pomóc w zrozumieniu zjawisk takich jak ciemna energia.
Na codzień mówimy o temperaturach ujemnych, ale naukowa skala temperatury, mierzona w kelwinach, rozpoczyna się od zera - zera absolutnego. Mierzy się ją energią kinetyczną cząstek: gaz cząstek, które ruszają się powoli, jest ziemniejszy niż gaz rozpędzonych cząstek. Zero absolutne oznacza zastój - dlatego nic nie może być chłodniejsze.
Ale istnieje jeszcze coś takiego jak entropia, która zależy od tego, w jaki sposób cząstki są rozmieszczone w gazie. Powyżej zera absolutnego wzrost energii oznacza wzrost entropii. W temperaturze zera absolutnego energii nie ma, więc entropia spada do minimum.
W teorii jednak korelację temperatury i entropii da się złamać i można podgrzewać cząstki, nie zwiększając entropii. A to z kolei otwiera drogę do temeratur ujemnych, w których relacja entropia - temperatura zostaje odwrócona. Zero stopni to punkt, w którym cząstki mają najniższą możliwa energię. W nieskończenie wysokiej temperaturze, cząstki miałyby wszystkie możliwe stany energii. W temperaturach ujemnych - przekonuja nas badacze z Uniwersytetu Monachijskiego - cząstki powinny mieć wysoka energię.
Aby zrozumieć, o co w tym wszystkim chodzi, trzeba wyobrazić sobie temperaturę nie jako linię, ale jako pętlę, gdzie temperatury dodatnie są po jednej stronie, a ujemne - po drugiej. Kiedy ilość stopni spada poniżej zera absolutnego lub wzrasta powyżej nieskończoności dodatniej, nagle przeskakuje na drugą stronę skali.
- Temperatura, którą znamy, zaczyna się na zerze, a potem rośnie w niskończoność - mówi Ulrich Schneider Uniwersytetu Monachijskiego. - Ale tam się nie zatrzymuje - dodaje.
Aby przekroczyc tę granicę, Schneider i jego koledzy zmrozili atomy do ułamka stopnia powyżej zera absolutnego, a następnie zamknęli je w próżni. Potem laserami wpływali na ich energię, podnosząc ją, a jednocześnie kontrolowali rozmieszczenie atomów (ich entropię). Atomy nie mogły wytracić energii, musiałby bowiem zmienić swoją energię kinetyczną, a w próżni nie było to możliwe. A zatem teoretycznie uzyskały temperatury ujemne poniżej zera absolutnego.
Eksperyment monachijczyków, którzy wprowadzili atomy w przedziwny stan, może zdradzić nam nieco tajemnic temperatury i, być może, ciemnej energii. Pomoże także w budowaniu lepszych urządzeń. Ale to jeszcze piesn przyszłości.
Na co dzień mówimy o temperaturach ujemnych, ale naukowa skala, mierzona w kelwinach, rozpoczyna się od zera absolutnego (−273.15°C). Mierzy się ją energią kinetyczną cząstek: gaz cząstek, które poruszają się powoli, jest zimniejszy niż gaz rozpędzonych. Zero absolutne oznacza zastój. Dlatego nic nie może być chłodniejsze. Tak przynajmniej do niedawna sądzono.
Istnieje bowiem jeszcze coś takiego, jak entropia, która zależy od tego, w jaki sposób cząstki są rozmieszczone w gazie. Powyżej zera absolutnego wzrost energii oznacza wzrost entropii. W temperaturze zera absolutnego energii nie ma, więc entropia spada do minimum.
W teorii jednak korelację temperatury i entropii da się złamać i można podgrzewać cząstki, nie zwiększając entropii. A to z kolei otwiera drogę do temperatur ujemnych, w których relacja entropia - temperatura zostaje odwrócona. Zero stopni to punkt, w którym cząstki mają najniższą możliwą energię. W nieskończenie wysokiej temperaturze cząstki miałyby wszystkie możliwe stany energii. W temperaturach ujemnych - przekonują nas badacze z Uniwersytetu Monachijskiego - cząstki powinny mieć wysoka energię oraz niską entropię.
Aby zrozumieć, o co w tym wszystkim chodzi, trzeba wyobrazić sobie temperaturę nie jako linię, ale jako pętlę, na które temperatury dodatnie znajdują się po jednej stronie, a ujemne - po drugiej. Kiedy ilość stopni spada poniżej zera absolutnego lub wzrasta powyżej nieskończoności dodatniej, nagle przeskakujemy na drugą stronę skali. - Temperatura, którą znamy, zaczyna się w zerze, a potem rośnie w nieskończoność - mówi Ulrich Schneider Uniwersytetu Monachijskiego. - Ale tam się wcale nie zatrzymuje - dodaje.
Aby przekroczyć tę granicę, Schneider i jego koledzy zmrozili atomy do ułamka stopnia powyżej zera absolutnego, a następnie zamknęli je w próżni. Potem laserami wpływali na ich energię, podnosząc ją, a jednocześnie kontrolowali rozmieszczenie atomów (ich entropię). Atomy nie mogły wytracić energii, musiałyby bowiem zmienić swoją energię kinetyczną, a w próżni i pod okiem naukowców nie było to możliwe. A zatem teoretycznie uzyskały temperatury ujemne poniżej zera absolutnego.
Eksperyment monachijczyków, którzy wprowadzili atomy w przedziwny stan, może odkryć przed nami nieco tajemnic temperatury i, być może, ciemnej energii. Pomoże także w budowaniu lepszych urządzeń. Ale to jeszcze pieśń przyszłości.
(ew/NewScientist/LiveScience)
